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從純鐵到鋼到合金鋼

純鐵是很軟的金屬,既不能制刀槍,也不能鑄鐵鍋、犁鋤。但當純鐵中含有一定量的碳後,就變成我們在各方面使用的鋼鐵了。純鐵中含碳在0.02%以上就變成硬度較低的能拔鐵絲、軋制薄白鐵板等用的低碳鋼。鐵中含碳量0.25%至0.6%的範圍內的鋼叫中碳鋼,其硬度中等,可軋成建築鋼材,鋼板、鐵釘等制品。鐵中含碳量0.6%至2.0%時就成爲硬度很高的、可制刀槍、模具等的高碳鋼了。低、中、高碳鋼合在一起就叫“碳素鋼”。如果鐵中碳含量超過2.0%就變成又硬又脆的可鑄鐵鍋、暖氣片、犁等的生鐵了。一般生鐵含碳量爲3.5%—5.5%。所以純鐵、鋼和生鐵的區別主要就在于鐵中的含碳量的不同。

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  在鐵與鋼的生産中,首先是把鐵礦石在煉鐵高爐中用碳還原成鐵的同時鐵中也吸收了4.5%—5.5%的碳,然後再把生鐵裝入煉鋼爐中把碳和其他雜質用氧氣氧化去除降低到所需要的含量,即煉成各種含碳量的碳素鋼。據《世界金屬導報》報告的“國際鋼協”統計2002年上半年(1至6月)累計我國鋼産量爲8480萬t,居世界首位;同期世界的十大産鋼國排列順序爲:第2名日本5230萬t,第3美國4440萬t,第4俄羅斯2840萬t(獨聯體爲4840萬噸),第5德國2240萬t(歐盟15國總計8040萬t),第6韓國2230萬t,第7烏克蘭1650萬t,第8巴西1410萬t,第9印度1400萬t,第10意大利1340萬t;英國607萬t,居第17位。

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  隨著科學技術的發展,碳素鋼在強度、硬度、韌性、彈性、抗腐蝕性等各方面都不能滿足現代化工農業和國防上的需要了。冶金工作者們研究發現在鋼中加入一些其他元素可改善碳素鋼的性能,使碳鋼獲得更優異的和特殊的性能,擴充其用途和使用範圍,從而研制出各種合金鋼。在普通碳素鋼的基礎上,只要加入小于5%的總含量的硅、錳、鐵、钛、铌、硼、稀土等合金元素就可煉出強度高于同等含碳量的普通碳素鋼30—40%的低合金高強度鋼,一噸鋼可頂1.3—1.4%噸普通碳素鋼用。若在含碳1%的碳素鋼中加入6—15%鉻,能煉出各種高級滾珠鋼和滾動軸承鋼。鋼中加入13—19%鉻就成爲有磁性不鏽鋼,如在這種鋼中再加入9%鎳就變成無磁性不鏽鋼了;所以不能用有無磁來鑒別是否是不鏽鋼,因生活上用的大部分不鏽鋼是有磁的,可被磁鐵吸起來。含碳低于0.06%的鋼中加入8—27%鉻和4.5—6.5%鋁的鋼稱爲電熱合金,拔成絲纏成電爐,最高的可加熱到1200。中碳鋼中加1%錳煉成的鋼制彈簧,彈性特別好。高碳鋼中加2%錳和少量钼可煉成硬度特別高可做刀槍、模具和破碎機颚板壽命特別長。鋼中加9—18%鎢和少量釩就成爲高速鋼。低碳鋼中加少量钼和鉻成爲高溫下耐熱並不起皮的鋼。低碳鋼中加2.5—4%的硅可煉成導磁性能非常好,可軋制制造電機,變壓器的硅鋼片。而低碳鋼中加12%鋁和25%鎳煉出的就是永磁合金,可制永久性強磁鐵。在高碳鋼中加入適量硅可生産出石墨鋼,既耐磨又有潤滑作用,可制造在使用過程中不宜使用潤滑油,而又需要耐磨的機械零件和軸承等部件。鋼中加入稀土金屬能提高鋼的韌性;而生鐵中加入稀土金屬和鎂則可變成和鋼一樣強度高,又有韌性的球墨鑄鐵。硼則是非晶合金和高科技钕鐵硼合金中不可缺少的非金屬元素。鐵和鋼中加入各種金屬和非金屬元素後可使其性能變幻無窮,用途多樣。在鋼鐵中加入各種金屬和非金屬元素,能創造出多種多樣的高科技新金屬材料供工農業、國防、科學技術、生活上等各個領域中應用。

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  在鐵鋼中加入各種金屬和非金屬元素,能創造出各種不同性能,多種用途的各種高科技材料。但這些金屬和非金屬在煉鋼時大部都不能或不宜以純金屬和非金屬元素單體狀態直接加入鋼液中。如鎢、钼、铌等金屬熔點太高,比煉鋼溫度高一倍以上,煉鋼溫度爲1600左右,而鎢熔點高達3380,钼熔點爲2600,铌熔點爲2500,所以在鋼液中難熔化,另外這些金屬比重又太高,液態鋼比重約7克/毫升,而鎢比重高達19.3克/毫升,釩、钛比重低,钛比重4.5克/毫升,釩6.1克/毫升;熔點又高,釩爲1860、钛爲1690,又易氧化,在鋼液面上被氧化燒掉很多,損失太大,又不易控制含量,並且單體金屬制取工藝複雜,生産成本高,價格昂貴等等。因此都不適合以純金屬和非金屬單體狀態在煉鋼時直接加入鋼液中。爲此冶金工作者們研究制出了這些元素和鐵的合金,就叫做“鐵合金”。這些元素和鐵的合金熔點和鋼接近,比重和鋼差不多,又不易氧化,其生産工藝又比生産該純金屬和非金屬簡單,生産成本比純的單體金屬和非金屬低的多,價格低,特別適合于煉鋼和生産各種高科技材料中使用。因此鐵合金成爲煉鋼和新材料工業中的重要材料。

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  鐵合金的品種是根據鋼鐵和新金屬材料工業的發展需要而發展和開發的,目前的鐵合金品種有二元的和多元的鐵合金數十種,其中用量最大的二元鐵合金有:硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鎢鐵、钼鐵、铌鐵、釩鐵、钛鐵、硼鐵、磷鐵、鋁鐵等,三元以上的有:錳硅(鐵)、硅鈣(鐵)、硅鉻(鐵)、硅鋁(鐵)、硅鋇(鐵)、稀土硅鐵、稀土硅鎂鐵等。

  鐵合金有兩大用途:用途之一是做脫氧劑;煉鋼和生産各種新金屬材料時要用氧氣氧化除去鋼和金屬液中的雜質的同時鋼和金屬液中也吸收了氧,這就大大降低了鋼和金屬材料的性能,因此需要添加一些與氧結合力比較強,且其氧化物又能順利的從鋼和金屬材料液中排除,從而使鋼和金屬材料液中的氧含量降低的元素,這個過程叫鋼和金屬材料的脫氧,而用于脫氧的鐵合金叫脫氧劑。常用的脫氧劑有硅鐵、錳鐵、鋁鐵、硅鈣(鐵)、硅錳(鐵)、硅鋇(鐵)、硅鋁(鐵)等。用途之二是做合金劑,在碳素鋼中加入各種鐵合金調整其化學成份,可生産出各種合金鋼和新金屬材料。

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  鐵合金除少量特殊鐵合金如金屬鉻,钛鐵等用鉛熱還原法生産,另有一部分錳鐵用高爐外,其絕大部分是用電爐生産,耗電量非常大,因此俗稱“電老虎”。比如生産1t硅鐵,耗電量約8500千瓦時(度),把這些電如用于煉鋼可煉電爐鋼20噸,即爲煉電爐鋼的20倍,如用于生活中能供1台200升電冰箱用23年,可見用電量之大。因此,雖然鐵合金用途很大,在國民經濟和科學技術及國防上非常重要,但從1995年以來,由于我國鐵合金發展較快,産量已居世界第1位。2001年全世界鐵合金産量爲1620萬t,而我國産量爲450萬t,占全世界産量的四分之一,全世界鐵合金産量最多的前5名爲:第2名獨聯體(主要是俄羅斯)280萬t,第3名南非250萬t,第4位日本120萬t,第5位印度75萬t。我國鐵合金産量除能滿足我國鋼鐵和新金屬材料工業的需要外,並每年有總産量的10—12%出口。當然也創彙不少,但由于其能耗太高,尤其耗電量很大,因此不宜再大量建廠和大量增加産量。據統計,目前鐵合金耗電量已占全國總發電量的1%,占鋼鐵工業總耗電量的4%,其節能潛力極大。今天我國的科研工作者已在目前産量的基礎上,開展節能降耗的科學研究,進一步開發節能的生産新工藝及進一步開創適用于高科技新材料和國防科學及國防工業上用的特種高效鐵合金新品種,並已取得很大進步,已達到和接近國際先進水平。

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